วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์หรือที่เรียกว่าห่วงโซ่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์คือขั้นตอนต่างๆ ที่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ต้องผ่านในระหว่างการผลิต การใช้งาน และการรีไซเคิลหรือการกำจัด ประกอบด้วยขั้นตอนในส่วนต้นน้ำซึ่งเป็นการเตรียมเชื้อเพลิง ขั้นตอนใน ระหว่าง การใช้งานเครื่องปฏิกรณ์ และขั้นตอนในส่วนท้ายน้ำซึ่งจำเป็นต่อการจัดการ การกักเก็บ และการแปรรูปหรือการกำจัดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้ แล้วอย่างปลอดภัย หากเชื้อเพลิงใช้แล้วไม่ได้รับการแปรรูป วัฏจักรเชื้อเพลิงจะเรียกว่าวัฏจักรเชื้อเพลิงแบบเปิด (หรือวัฏจักรเชื้อเพลิงแบบใช้ครั้งเดียว ) หากเชื้อเพลิงใช้แล้วได้รับการแปรรูป จะเรียกว่าวัฏจักร เชื้อเพลิงแบบปิด

พลังงานนิวเคลียร์อาศัยวัสดุที่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้ ซึ่งสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่กับนิวตรอนได้ ตัวอย่างของวัสดุดังกล่าวได้แก่ยูเรเนียม และพลูโทเนียมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ส่วนใหญ่ใช้ ตัวลดความเร็วของนิวตรอน (moderator)เพื่อลดพลังงานจลน์ของนิวตรอนและเพิ่มโอกาสที่ จะเกิด ปฏิกิริยาฟิชชัน วิธีนี้ทำให้เครื่องปฏิกรณ์สามารถใช้วัสดุที่มีความเข้มข้นของ ไอโซโทป ที่สามารถเกิด ฟิชชัน ได้ต่ำกว่าที่จำเป็นสำหรับอาวุธนิวเคลียร์ มาก กราไฟต์และน้ำหนักเบาเป็นตัวลดความเร็วของนิวตรอนที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด เนื่องจากพวกมันชะลอความเร็วของนิวตรอนผ่านการชนโดยไม่ดูดซับนิวตรอนเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้น้ำหนักเบาหรือกราไฟต์เป็นตัวลดความเร็วของนิวตรอนสามารถทำงานได้โดยใช้ยูเรเนียม ธรรมชาติ

เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (LWR) ใช้น้ำในรูปแบบที่พบได้ในธรรมชาติ และต้องการเชื้อเพลิงที่เสริมสมรรถนะให้มีความเข้มข้นของไอโซโทปฟิสไซล์สูงขึ้น โดยทั่วไป LWR จะใช้ยูเรเนียมที่เสริมสมรรถนะ ให้มี U-235อยู่ที่ 3–5% ซึ่งเป็นไอโซโทปฟิสไซล์เพียงชนิดเดียวที่พบในปริมาณมากในธรรมชาติ ทางเลือกหนึ่งสำหรับเชื้อเพลิงยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำ (LEU) นี้คือ เชื้อเพลิง ออกไซด์ผสม (MOX) ที่ผลิตโดยการผสมพลูโทเนียมกับยูเรเนียมธรรมชาติหรือยูเรเนียมที่ลดสมรรถนะแล้ว และเชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นช่องทางในการใช้ พลูโทเนียม เกรดอาวุธ ส่วนเกิน อีกประเภทหนึ่งของเชื้อเพลิง MOX เกี่ยวข้องกับการผสม LEU กับทอเรียมซึ่งจะสร้างไอโซโทปฟิสไซล์U-233ขึ้น มา ทั้งพลูโทเนียมและยูเรเนียม-233 ผลิตขึ้นจากการดูดซับนิวตรอนโดยการฉายรังสีวัสดุที่สามารถ นำไปทำปฏิกิริยาได้ ในเครื่องปฏิกรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งไอโซโทปยูเรเนียมทั่วไปอย่างยูเรเนียม-238และทอเรียมตามลำดับ และสามารถแยกออกจากเชื้อเพลิงยูเรเนียมและทอเรียมที่ใช้แล้วได้ในโรงงานแปรรูป

เครื่องปฏิกรณ์บางชนิดไม่ใช้ตัวลดความเร็วของนิวตรอน เช่นเดียวกับอาวุธนิวเคลียร์ซึ่งใช้นิวตรอนที่ไม่ลดความเร็วหรือ "นิวตรอนเร็ว" เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็ว เหล่านี้ ต้องการความเข้มข้นของไอโซโทปที่สามารถแตกตัวได้สูงกว่ามากเพื่อรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ นอกจากนี้ยังสามารถผลิตไอโซโทปที่สามารถแตกตัวได้จากวัสดุที่สามารถผลิตเชื้อเพลิงได้ เครื่องปฏิกรณ์ แบบผลิตเชื้อเพลิง ได้ คือเครื่องปฏิกรณ์ที่สร้างวัสดุที่สามารถแตกตัวได้มากกว่าที่ใช้ไป

ในระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ภายในเครื่องปฏิกรณ์ ไอโซโทปที่สามารถแตกตัวได้ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะถูกใช้ไป ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์จากการแตกตัว มากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งส่วนใหญ่ถือเป็นกากกัมมันตรังสีการสะสมของผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวและการใช้ไอโซโทปที่สามารถแตกตัวได้จะทำให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์หยุดลงในที่สุด ทำให้เชื้อเพลิงกลายเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว เมื่อใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำ (LEU) 3% เชื้อเพลิงใช้แล้วโดยทั่วไปจะประกอบด้วยยูเรเนียม-235 ประมาณ 1% ยูเรเนียม-238 ประมาณ 95% พลูโทเนียม 1% และผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวประมาณ 3% เชื้อเพลิงใช้แล้วและกากกัมมันตรังสีระดับสูงอื่นๆ เป็นอันตรายอย่างยิ่ง แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะผลิตกากในปริมาณที่น้อยกว่าโรงไฟฟ้าอื่นๆ หลายเท่าตัว เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานสูงของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ การจัดการอย่างปลอดภัยของผลิตภัณฑ์พลอยได้จากพลังงานนิวเคลียร์เหล่านี้ รวมถึงการจัดเก็บและการกำจัด เป็นปัญหาที่ยากสำหรับทุกประเทศที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์

• 
  1. แร่ยูเรเนียม – วัตถุดิบหลักของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์
• 
  2. ยูเรเนียมเค้กสีเหลือง – รูปแบบที่ใช้ในการขนส่งยูเรเนียมไปยังโรงงานแปรรูป
• 
  3 UF ₆ – ใช้ในการเสริมคุณค่า
• 
  4. เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ – ของแข็งขนาดกะทัดรัด เฉื่อย และไม่ละลายน้ำ

แหล่งแร่ยูเรเนียม เช่นยูราไนต์ที่ค้นพบโดยวิธีการทางธรณีฟิสิกส์ จะได้รับการประเมินและเก็บตัวอย่างเพื่อกำหนดปริมาณแร่ยูเรเนียมที่สามารถสกัดได้จากแหล่งแร่ในราคาที่กำหนดไว้ ปริมาณสำรองยูเรเนียมคือปริมาณแร่ที่คาดว่าจะสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ในราคาที่ระบุไว้

ยูเรเนียมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปหลักสองชนิด ได้แก่ U-238 และ U-235 โดย 99.28% ของโลหะเป็น U-238 ในขณะที่ 0.71% เป็น U-235 และส่วนที่เหลืออีก 0.01% ส่วนใหญ่เป็น U-234 ตัวเลขในชื่อดังกล่าวหมายถึงเลขมวลอะตอมของไอโซโทปซึ่งเป็นจำนวนโปรตอนบวกจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอม

นิวเคลียสของอะตอม U-235 เกือบจะเกิดการแตกตัวเมื่อถูกชนด้วยนิวตรอนอิสระ เสมอ ดังนั้นไอโซโทปนี้จึงถูกเรียกว่าเป็นไอโซโทปที่ " แตกตัวได้ " ในทางกลับกัน นิวเคลียสของอะตอม U-238 แทนที่จะเกิดการแตกตัวเมื่อถูกชนด้วยนิวตรอนอิสระ เกือบจะดูดซับนิวตรอนและให้กำเนิดอะตอมของไอโซโทป U-239 ไอโซโทปนี้จะเกิดการสลายตัวทางกัมมันตรังสีตามธรรมชาติเพื่อให้ได้ Pu-239 ซึ่งเช่นเดียวกับ U-235 เป็นไอโซโทปที่แตกตัวได้ อะตอมของ U-238 ถูกเรียกว่าเป็นอะตอมที่พร้อมจะแตกตัวได้ เพราะเมื่อได้รับรังสีนิวตรอนในแกนกลาง บางส่วนจะให้กำเนิดอะตอมของ Pu-239 ที่แตกตัวได้ในที่สุด

แร่ยูเรเนียมสามารถสกัดได้โดยวิธีการทำเหมืองแบบดั้งเดิม ทั้งแบบเปิดและใต้ดิน คล้ายกับวิธีการทำเหมืองโลหะอื่นๆ นอกจากนี้ยังมีการใช้เทคนิคการสกัดแบบละลายในแหล่งแร่ (in situ leach mining) ในการทำเหมืองยูเรเนียมในสหรัฐอเมริกา ในเทคโนโลยีนี้ ยูเรเนียมจะถูกละลายออกจากแร่ในแหล่งแร่ผ่านทางบ่อ ที่เว้นระยะห่างอย่างสม่ำเสมอ แล้วจึงนำกลับมาสกัดจากสารละลายที่โรงงานบนพื้นผิว แร่ยูเรเนียมในสหรัฐอเมริกามักมีปริมาณยูเรเนียมออกไซด์ (U₃O₈) ประมาณ 0.05 ถึง 0.3% _{แหล่งแร่}ยูเรเนียมบางแห่งที่ค้นพบในประเทศอื่นๆ มีคุณภาพสูงกว่าและมีขนาดใหญ่กว่าแหล่งแร่ที่ขุดได้ในสหรัฐอเมริกา ยูเรเนียมยังพบได้ในปริมาณที่ต่ำมาก (50 ถึง 200 ส่วนในล้านส่วน) ใน แหล่งแร่ ฟอสเฟตที่มีต้นกำเนิดจากทะเล บางแห่งในประเทศด้วย เนื่องจากมีการขุดหินที่มีฟอสเฟตในปริมาณมากเพื่อใช้ในการผลิตกรดฟอสฟอริก แบบเปียก ซึ่งใช้ในปุ๋ย ที่มีความเข้มข้นสูง และสารเคมีฟอสเฟตอื่นๆ ดังนั้นในโรงงานแปรรูปฟอสเฟตบางแห่ง ยูเรเนียมแม้จะมีอยู่ในความเข้มข้นต่ำมาก ก็สามารถนำกลับมาสกัดได้อย่างคุ้มค่าทางเศรษฐกิจจากกระแสของกระบวนการ

เมื่อขุดยูเรเนียมออกจากพื้นดิน จะมีปริมาณยูเรเนียมบริสุทธิ์ต่อปอนด์ไม่เพียงพอต่อการใช้งาน กระบวนการบดเป็นวิธีการสกัดยูเรเนียมที่ใช้ได้จากวัสดุส่วนที่เหลือ หรือที่เรียกว่ากากแร่ ในการเริ่มต้นกระบวนการบด แร่จะถูกบดให้เป็นผงละเอียดโดยใช้น้ำ หรือบดให้เป็นผงโดยไม่ใช้น้ำ^{[ 3 ]}เมื่อวัสดุได้รับการบำบัดทางกายภาพแล้ว ก็จะเริ่มกระบวนการบำบัดทางเคมีโดยการแช่ในกรด กรดที่ใช้ ได้แก่ กรดไฮโดรคลอริกและกรดไนตรัส แต่กรดที่ใช้กันมากที่สุดคือกรดซัลฟิวริก หรือหากวัสดุที่ประกอบเป็นแร่มีความทนทานต่อกรดเป็นพิเศษ ก็จะใช้ด่างแทน^{[ 4 ]}หลังจากได้รับการบำบัดทางเคมีแล้ว อนุภาคยูเรเนียมจะละลายในสารละลายที่ใช้ในการบำบัด จากนั้นสารละลายนี้จะถูกกรองจนกว่าของแข็งที่เหลืออยู่จะแยกออกจากของเหลวที่มียูเรเนียม ของแข็งที่ไม่ต้องการจะถูกกำจัดเป็นกากแร่^{[ 5 ]}เมื่อสารละลายได้รับการกำจัดกากแล้ว ยูเรเนียมจะถูกสกัดออกจากสารละลายเหลวที่เหลืออยู่ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสองวิธี ได้แก่ การแลกเปลี่ยนตัวทำละลายหรือการแลกเปลี่ยนไอออนในวิธีแรก ตัวทำละลายจะถูกผสมลงในสารละลาย ยูเรเนียมที่ละลายจะจับกับตัวทำละลายและลอยขึ้นด้านบน ในขณะที่สารที่ละลายอื่นๆ ยังคงอยู่ในส่วนผสม ในระหว่างการแลกเปลี่ยนไอออน วัสดุที่แตกต่างกันจะถูกผสมลงในสารละลายและยูเรเนียมจะจับกับวัสดุนั้น เมื่อกรองแล้ว วัสดุจะถูกแยกออกและล้างออก^{[ 3 ]}สารละลายจะทำซ้ำกระบวนการกรองนี้เพื่อดึงยูเรเนียมที่ใช้งานได้ออกมาให้ได้มากที่สุด ยูเรเนียมที่กรองแล้วจะถูกทำให้แห้งเป็นยูเรเนียม U ₃ O ₈กระบวนการบดมักจะให้วัสดุในรูปผงแห้งซึ่งประกอบด้วยยูเรเนียมธรรมชาติ " เยลโลว์เค้ก " ซึ่งขายในตลาดยูเรเนียมในชื่อ U ₃ O ₈โปรดทราบว่าวัสดุนี้ไม่จำเป็นต้องเป็นสีเหลืองเสมอไป

โดยปกติแล้ว ยูเรเนียมออกไซด์ที่บดแล้ว U₃O₈ ₍ไตร_{ยูเรเนียม}ออกทอกไซด์ ) จะถูกนำไปแปรรูปเป็นสารสองชนิด ขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการ

สำหรับการใช้งานในเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ ยูเรเนียม-3O8 _มักจะถูกแปลงเป็นยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์₍ UF6 ₎ซึ่งเป็นวัตถุดิบตั้งต้นสำหรับโรงงานเสริมสมรรถนะยูเรเนียมเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ ยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง และจะกลายเป็นก๊าซที่อุณหภูมิ 57 °C (134 °F) ในขั้นตอนนี้ ผลิตภัณฑ์จากการแปลงยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ยังคงมีส่วนผสมของไอโซโทปตามธรรมชาติ (99.28% ของ U-238 บวก 0.71% ของ U-235 บวก 0.01% ของ U-234 ซึ่งใช้งานได้ยาก)

สำหรับการใช้งานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เช่นCANDUซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงเสริมสมรรถนะ ยูเรเนียม-3O8 _อาจถูกแปลงเป็นยูเรเนียมไดออกไซด์ (UO2 ₎ แทน ซึ่งสามารถนำไปรวมอยู่ในชิ้นส่วนเชื้อเพลิง เซรามิก_ได้

ในวิธีการแปลงแบบหนึ่งที่เรียกว่าวิธีเปียก เยลโลว์เค้กจะถูกละลายในกรดไนตริก จากนั้นสกัดโดยใช้ไตรบิวทิลฟอสเฟต ส่วนผสมที่ได้จะถูกทำให้แห้งและล้างจนได้ยูเรเนียมไตรออกไซด์^{[ 6 ]}จากนั้นยูเรเนียมไตรออกไซด์จะถูกผสมกับไฮโดรเจนบริสุทธิ์จนได้ยูเรเนียมไดออกไซด์และน้ำ หลังจากนั้น ยูเรเนียมไดออกไซด์จะถูกผสมกับไฮโดรเจนฟลูออไรด์สี่ส่วนจนได้น้ำและยูเรเนียมเตตระฟลูออไรด์เพิ่มขึ้น ในที่สุด ผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์จะถูกสร้างขึ้นโดยการเติมฟลูออไรด์ลงในส่วนผสมเพิ่มเติม^{[ 7 ]}

ในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ในปัจจุบัน ปริมาณวัสดุที่ถูกแปลงเป็น UO2 โดยตรงนั้นโดย _{ทั่วไป}มีปริมาณค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับปริมาณที่ถูกแปลงเป็น_UF6

ความเข้มข้นตามธรรมชาติ (0.71%) ของไอโซโทปฟิสไซล์ U-235 นั้นน้อยกว่าที่จำเป็นต่อการรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ใน แกน เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาดังนั้น UF ₆ที่ผลิตจากแหล่งยูเรเนียมธรรมชาติจะต้องได้รับการเสริมสมรรถนะให้มีความเข้มข้นของไอโซโทปฟิสไซล์สูงขึ้นก่อนที่จะนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าว เชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบามักจะได้รับการเสริมสมรรถนะจากยูเรเนียมธรรมชาติให้มี U-235 ประมาณ 3–5% ^{[ 8 ]}โดยแกนเครื่องปฏิกรณ์สมัยใหม่จำนวนมากใช้การเสริมสมรรถนะที่สูงกว่าช่วงนี้ (มักจะใกล้เคียงกับ 5%) เพื่อให้สามารถเผาไหม้ได้มากขึ้นและมีวงจรเชื้อเพลิงที่ยาวนานขึ้น แม้ว่าจะมีการใช้การเสริมสมรรถนะที่ต่ำกว่าสำหรับการใช้งานบางอย่าง การเสริมสมรรถนะทำได้โดยใช้วิธีการแยกไอโซโทป หลายวิธี การแพร่กระจายของก๊าซและเครื่องเหวี่ยงก๊าซ เป็นวิธีการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมที่ใช้กันทั่วไป แต่เทคโนโลยีการเสริมสมรรถนะใหม่ๆ กำลัง ได้รับการพัฒนาอยู่ในปัจจุบัน

ยูเรเนียมที่หมดสภาพ (DU) ส่วนใหญ่เป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้ (96%) จากการเสริมสมรรถนะซึ่งสามารถนำไปใช้ทำเกราะเจาะเกราะพลังงานจลน์ป้องกันรังสีและถ่วงน้ำหนักได้ ณ ปี 2551 มีปริมาณยูเรเนียมที่หมดสภาพจำนวนมหาศาลอยู่ในคลัง กระทรวงพลังงาน ของสหรัฐอเมริกา เพียงแห่งเดียวมี อยู่470,000 ตัน^{[ 9 ]}ประมาณ 95% ของยูเรเนียมที่หมดสภาพถูกเก็บไว้ในรูปของยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ (UF ₆ )

สำหรับการใช้งานเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์เสริมสมรรถนะจะถูกแปลงเป็นผงยูเรเนียมไดออกไซด์ (UO2 _{) จากนั้นจึงนำไปแปรรูปเป็นเม็ด เม็ดเหล่านี้จะถูกเผาใน} เตาเผาผนึก ที่อุณหภูมิสูง เพื่อสร้างเม็ดยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ ที่แข็งและเหมือน เซรามิก เม็ดทรงกระบอกเหล่านี้จะผ่านกระบวนการบดเพื่อให้ได้ขนาดเม็ดที่สม่ำเสมอ เม็ดเหล่านี้จะถูกเรียงซ้อนกันตามข้อกำหนดการออกแบบของแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แต่ละเครื่องลงในท่อโลหะ ผสม ที่ทนต่อการกัดกร่อน ท่อเหล่านี้จะถูกปิดผนึกเพื่อกักเก็บเม็ดเชื้อเพลิงไว้ภายใน ท่อเหล่านี้เรียกว่าแท่งเชื้อเพลิง แท่งเชื้อเพลิงที่เสร็จสมบูรณ์จะถูกจัดกลุ่มในชุดประกอบเชื้อเพลิงพิเศษซึ่งใช้ในการสร้างแกนเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ของเครื่องปฏิกรณ์ไฟฟ้า

โลหะผสมที่ใช้สำหรับท่อขึ้นอยู่กับการออกแบบของเครื่องปฏิกรณ์ในอดีตเคยใช้เหล็กกล้าไร้สนิม แต่ปัจจุบันเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ โลหะผสมเซอร์โคเนียมสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด ได้แก่เครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR) และเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (PWR) ท่อจะถูกประกอบเป็นมัด^{[ 10 ]}โดยเว้นระยะห่างระหว่างท่ออย่างแม่นยำ จากนั้นมัดเหล่านี้จะได้รับหมายเลขประจำตัวที่ไม่ซ้ำกัน ซึ่งช่วยให้สามารถติดตามได้ตั้งแต่การผลิต การใช้งาน และการกำจัด

การขนส่งเป็นส่วนสำคัญของวงจรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้งานอยู่ในหลายประเทศ แต่การทำเหมืองยูเรเนียมนั้นคุ้มค่าในเพียงไม่กี่พื้นที่เท่านั้น นอกจากนี้ ในช่วงเวลามากกว่าสี่สิบปีของการดำเนินงานของอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ ได้มีการพัฒนาสิ่งอำนวยความสะดวกเฉพาะทางหลายแห่งในสถานที่ต่างๆ ทั่วโลกเพื่อให้บริการวงจรเชื้อเพลิง และมีความจำเป็นต้องขนส่งวัสดุนิวเคลียร์ไปและกลับจากสิ่งอำนวยความสะดวกเหล่านี้^{[ 11 ]}การขนส่ง วัสดุ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ส่วนใหญ่ เกิดขึ้นระหว่างขั้นตอนต่างๆ ของวงจร แต่บางครั้งอาจมีการขนส่งวัสดุระหว่างสิ่งอำนวยความสะดวกที่คล้ายคลึงกัน วัสดุในวงจรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ส่วนใหญ่จะถูกขนส่งในรูปของแข็ง ยกเว้นยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ (UF ₆ ) ซึ่งถือว่าเป็นก๊าซ วัสดุส่วนใหญ่ที่ใช้ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะถูกขนส่งหลายครั้งในระหว่างวงจร การขนส่งมักเป็นการขนส่งระหว่างประเทศ และมักครอบคลุมระยะทางไกล วัสดุนิวเคลียร์โดยทั่วไปจะถูกขนส่งโดยบริษัทขนส่งเฉพาะทาง

เนื่องจากวัสดุนิวเคลียร์เป็นสารกัมมันตรังสีจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องแน่ใจว่าการได้รับรังสีของผู้ที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งวัสดุดังกล่าวและประชาชนทั่วไปตามเส้นทางการขนส่งนั้นมีจำกัด บรรจุภัณฑ์สำหรับวัสดุนิวเคลียร์นั้นรวมถึงวัสดุป้องกันรังสี ตามความเหมาะสม เพื่อลดการได้รับรังสีที่อาจเกิดขึ้น ในกรณีของวัสดุบางชนิด เช่น ชุดเชื้อเพลิงยูเรเนียมใหม่ ระดับรังสีนั้นต่ำมากและไม่จำเป็นต้องมีวัสดุป้องกันรังสี วัสดุอื่นๆ เช่น เชื้อเพลิงใช้แล้วและกากกัมมันตรังสีระดับสูง มีกัมมันตรังสีสูงมากและต้องมีการจัดการเป็นพิเศษ เพื่อจำกัดความเสี่ยงในการขนส่งวัสดุที่มีกัมมันตรังสีสูง จึงมีการใช้ภาชนะที่เรียกว่าถังบรรจุเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อรักษาความสมบูรณ์ภายใต้สภาวะการขนส่งปกติและในระหว่างสภาวะอุบัติเหตุสมมุติ

แม้ว่าถังขนส่งจะมีลักษณะการออกแบบ วัสดุ ขนาด และวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน แต่โดยทั่วไปแล้วจะเป็นท่อยาวที่ทำจากสแตนเลสหรือคอนกรีต โดยปิดปลายทั้งสองข้างเพื่อป้องกันการรั่วไหล บ่อยครั้งที่เปลือกของถังจะมีวัสดุที่ทนต่อรังสีอย่างน้อยหนึ่งชั้น เช่น ตะกั่ว ภายในท่อก็จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสิ่งที่ขนส่ง ตัวอย่างเช่น ถังที่ขนส่งแท่งเชื้อเพลิง ที่หมดสภาพหรือไม่ได้ใช้แล้ว จะมีปลอกที่ช่วยแยกแท่งเชื้อเพลิงออกจากกัน ในขณะที่ถังที่ขนส่งยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์โดยทั่วไปจะไม่มีการจัดระเบียบภายใน ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์และกัมมันตภาพรังสีของวัสดุ ถังบางประเภทจะมีระบบระบายอากาศ การป้องกันความร้อน การป้องกันแรงกระแทก และคุณสมบัติอื่นๆ ที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นสำหรับเส้นทางและสินค้าที่ขนส่ง^{[ 12 ]}

แกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประกอบด้วย "ชุดประกอบ" หลายร้อยชุด เรียงตัวกันเป็นแถวอย่างเป็นระเบียบ โดยแต่ละเซลล์ประกอบด้วยแท่งเชื้อเพลิงหรือแท่งควบคุม ล้อมรอบด้วยตัว ลดความเร็วของ นิวตรอนและสารหล่อเย็นซึ่งในเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่คือน้ำ

เนื่องจาก กระบวนการ ฟิชชันที่ใช้เชื้อเพลิง ทำให้ต้องเปลี่ยนแท่งเชื้อเพลิงเก่าด้วยแท่งใหม่เป็นระยะ (เรียกว่ารอบการเปลี่ยน) ในรอบการเปลี่ยนแต่ละครั้ง จะมีการเปลี่ยนเพียงบางส่วนของชุดแท่งเชื้อเพลิง (โดยทั่วไปประมาณหนึ่งในสาม) เนื่องจากเชื้อเพลิงหมดไปในอัตราที่แตกต่างกันในแต่ละจุดภายในแกนปฏิกรณ์ นอกจากนี้ เพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น การวางชุดแท่งเชื้อเพลิงใหม่ไว้ในตำแหน่งเดียวกับชุดที่ถอดออกไปนั้นไม่ใช่แนวทางที่ดี แม้แต่ชุดแท่งเชื้อเพลิงที่มีอายุเท่ากันก็จะมีระดับการเผาไหม้ที่แตกต่างกันเนื่องจากตำแหน่งเดิมในแกนปฏิกรณ์ ดังนั้นจึงต้องจัดเรียงชุดแท่งเชื้อเพลิงที่มีอยู่เพื่อให้ได้ผลผลิตสูงสุด ในขณะที่ต้องเป็นไปตามข้อจำกัดด้านความปลอดภัยและข้อจำกัดในการปฏิบัติงาน ด้วยเหตุนี้ ผู้ควบคุมเครื่องปฏิกรณ์จึงต้องเผชิญกับปัญหาที่เรียกว่าปัญหาการบรรจุเชื้อเพลิงใหม่ที่เหมาะสมที่สุดซึ่งประกอบด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพการจัดเรียงชุดแท่งเชื้อเพลิงทั้งหมด ทั้งเก่าและใหม่ ในขณะที่ยังคงเพิ่มปฏิกิริยาของแกนปฏิกรณ์ให้สูงสุด เพื่อเพิ่มการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงให้สูงสุดและลดต้นทุนรอบเชื้อเพลิงให้น้อยที่สุด

นี่เป็น ปัญหา การหาค่าเหมาะสมที่สุดแบบไม่ต่อเนื่องและไม่สามารถคำนวณได้ด้วย วิธี การเชิงการจัดเรียง ในปัจจุบัน เนื่องจากจำนวนการเรียงสับเปลี่ยนที่ มหาศาล และความซับซ้อนของการคำนวณแต่ละครั้ง มีวิธีการเชิงตัวเลข มากมาย ที่ได้รับการเสนอเพื่อแก้ปัญหานี้ และมี ซอฟต์แวร์ เชิง พาณิชย์หลาย แพ็กเกจที่ถูกเขียนขึ้นเพื่อสนับสนุนการจัดการเชื้อเพลิง ปัญหานี้ยังคงเป็นปัญหาต่อเนื่องในการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์ เนื่องจากยังไม่พบวิธีแก้ปัญหาที่แน่ชัด ผู้ปฏิบัติงานใช้ เทคนิค ทั้งเชิงคำนวณและเชิงประจักษ์ ร่วมกัน เพื่อจัดการปัญหานี้

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วจะถูกศึกษาในการตรวจสอบหลังการฉายรังสีโดยจะตรวจสอบเชื้อเพลิงใช้แล้วเพื่อทำความเข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้นในเชื้อเพลิงระหว่างการใช้งาน และวิธีที่กระบวนการเหล่านี้อาจเปลี่ยนแปลงผลลัพธ์ของอุบัติเหตุ ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการใช้งานตามปกติ เชื้อเพลิงจะขยายตัวเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อน ซึ่งอาจทำให้เกิดรอยแตกเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ส่วนใหญ่ เป็นยูเรเนียมไดออกไซด์ ซึ่งเป็น ของแข็ง ทรงลูกบาศก์ที่มีโครงสร้างคล้ายกับแคลเซียมฟลูออไรด์ในเชื้อเพลิงใช้แล้ว โครงสร้างของของแข็งส่วนใหญ่ยังคงเหมือนกับยูเรเนียมไดออกไซด์ทรงลูกบาศก์บริสุทธิ์ SIMFUEL คือชื่อที่ใช้เรียกเชื้อเพลิงใช้แล้วจำลอง ซึ่งทำขึ้นโดยการผสมออกไซด์โลหะที่บดละเอียด บดเป็นสารละลายข้น แล้วทำให้แห้งด้วยการพ่นก่อนนำไปให้ความร้อนในไฮโดรเจน/อาร์กอนที่อุณหภูมิ 1700 °C [หมายเหตุ^{1 ] ใน} SIMFUEL ปริมาตรของของแข็ง 4.1% อยู่ในรูปของอนุภาคนาโน โลหะ ที่ทำจากโมลิบเดนัมรูทีเนียมโรเดียมและแพลเลเดียมอนุภาคโลหะส่วนใหญ่อยู่ในเฟส ε ( หกเหลี่ยม ) ของโลหะผสม Mo-Ru-Rh-Pd ในขณะที่พบเฟส α ( ลูกบาศก์ ) และ σ ( สี่เหลี่ยมจัตุรัส ) ของโลหะเหล่านี้ในปริมาณที่น้อยกว่าใน SIMFUEL นอกจากนี้ ยังพบ เฟสเพอร์ รอฟสไกต์ ลูกบาศก์ ซึ่งเป็นแบเรียมสตรอนเทียมเซอร์โคเนต (Ba _x Sr _1−x ZrO ₃ ) อยู่ใน SIMFUEL ด้วย

ยูเรเนียมไดออกไซด์ละลายในน้ำได้น้อยมาก แต่หลังจากถูกออกซิไดซ์แล้ว สามารถเปลี่ยนเป็นยูเรเนียมไตรออกไซด์หรือสารประกอบยูเรเนียม(VI) อื่นๆ ซึ่งละลายในน้ำได้มากกว่ามาก ยูเรเนียมไดออกไซด์ (UO₂ ) _{สามารถ ถูกออกซิ ได ซ์เป็นออกไซด์ที่มี ออกซิเจน}สูงเกินสัดส่วนทางเคมี (UO₂⁺x ₎ซึ่งสามารถถูกออกซิไดซ์ต่อ _ไปเป็น_U₄O₉ , _U₃O₇ , _U₃O₈และ_{UO₃ ·} 2H₂O ได้

เนื่องจากเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วมีตัวปล่อยอัลฟา (พลูโทเนียมและแอคติไนด์รอง ) จึงมีการตรวจสอบผลของการเพิ่มตัวปล่อยอัลฟา ( ²³⁸ Pu) ลงในยูเรเนียมไดออกไซด์ต่ออัตราการชะล้างของออกไซด์ สำหรับออกไซด์ที่บดแล้ว การเพิ่ม²³⁸ Pu มีแนวโน้มที่จะเพิ่มอัตราการชะล้าง แต่ความแตกต่างของอัตราการชะล้างระหว่าง 0.1 และ 10% ของ²³⁸ Pu นั้นมีน้อยมาก^{[ 13 ]}

ความเข้มข้นของคาร์บอเนตในน้ำที่สัมผัสกับเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วมีผลอย่างมากต่ออัตราการกัดกร่อน เนื่องจากยูเรเนียม (VI) ก่อตัวเป็นสารประกอบคาร์บอเนตประจุลบที่ละลายได้ เช่น [UO ₂ (CO ₃ ) ₂ ] ²⁻และ [UO ₂ (CO ₃ ) ₃ ] ⁴⁻เมื่อไม่มีไอออนคาร์บอเนต และน้ำไม่เป็นกรดมาก สารประกอบยูเรเนียมเฮกซาวาเลนต์ที่เกิดขึ้นจากการออกซิเดชันของยูเรเนียมไดออกไซด์มักจะก่อตัวเป็นเฟสยูเรเนียมไตรออกไซด์ไฮเดรต ที่ไม่ละลายน้ำ ^{[หมายเหตุ 2 ]}

สามารถเคลือบฟิล์มบางๆ ของยูเรเนียมไดออกไซด์ลงบนพื้นผิวทองคำได้โดยใช้ ' การสปัตเตอร์ ' โดยใช้โลหะยูเรเนียมและ ส่วนผสมของก๊าซ อาร์กอน / ออกซิเจนพื้นผิวทองคำที่ดัดแปลงด้วยยูเรเนียมไดออกไซด์เหล่านี้ถูกนำมาใช้สำหรับการทดลองทั้งโวลแทมเมตรีแบบวงจรและอิมพีแดนซ์กระแสสลับ และสิ่งเหล่านี้ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับพฤติกรรมการชะล้างของยูเรเนียมไดออกไซด์ที่อาจเกิดขึ้นได้^{[ 14 ]}

การศึกษาวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์รวมถึงการศึกษาพฤติกรรมของวัสดุนิวเคลียร์ทั้งในสภาวะปกติและในสภาวะอุบัติเหตุ ตัวอย่างเช่น มีการศึกษามากมายเกี่ยวกับปฏิกิริยาของ เชื้อเพลิง ยูเรเนียมไดออกไซด์กับท่อโลหะผสมเซอร์โคเนียมที่ใช้หุ้มเชื้อเพลิง ในระหว่างการใช้งาน เชื้อเพลิงจะขยายตัวเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อนจากนั้นจะเริ่มทำปฏิกิริยากับพื้นผิวของโลหะผสมเซอร์โคเนียม ก่อตัวเป็นชั้นใหม่ที่มีทั้งเชื้อเพลิงและเซอร์โคเนียม (จากปลอกหุ้ม) จากนั้น ในด้านเชื้อเพลิงของชั้นผสมนี้ จะมีชั้นเชื้อเพลิงที่มี อัตราส่วน ซีเซียมต่อยูเรเนียม สูง กว่าเชื้อเพลิงส่วนใหญ่ นี่เป็นเพราะไอโซโทปซีนอนเกิดขึ้นเป็นผลิตภัณฑ์ฟิสชันที่แพร่กระจายออกจากโครงสร้างผลึกของเชื้อเพลิงเข้าไปในช่องว่าง เช่น ช่องว่างแคบๆ ระหว่างเชื้อเพลิงกับปลอกหุ้ม หลังจากแพร่กระจายเข้าไปในช่องว่างเหล่านี้แล้ว มันจะสลายตัวเป็นไอโซโทปซีเซียม เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นในเชื้อเพลิงระหว่างการใช้งาน ผลิตภัณฑ์ฟิสชันที่ระเหยง่ายจึงมีแนวโน้มที่จะถูกผลักจากศูนย์กลางของเม็ดเชื้อเพลิงไปยังบริเวณขอบ^{[หมายเหตุ 3 ]}ด้านล่างนี้เป็นกราฟแสดงอุณหภูมิของโลหะยูเรเนียม ยูเรเนียมไนไตรด์ และยูเรเนียมไดออกไซด์เป็นฟังก์ชันของระยะทางจากศูนย์กลางของเม็ดเชื้อเพลิงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 มม. ที่มีอุณหภูมิขอบ 200 °C ยูเรเนียมไดออกไซด์ (เนื่องจากมีค่าการนำความร้อนต่ำ) จะร้อนจัดที่ศูนย์กลางของเม็ดเชื้อเพลิง ในขณะที่ยูเรเนียมรูปแบบอื่นที่มีค่าการนำความร้อนสูงกว่าจะยังคงมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลว

เคมีนิวเคลียร์ที่เกี่ยวข้องกับวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สามารถแบ่งออกได้เป็นสองด้านหลัก ด้านหนึ่งเกี่ยวข้องกับการทำงานภายใต้เงื่อนไขที่ตั้งใจไว้ ในขณะที่อีกด้านหนึ่งเกี่ยวข้องกับสภาวะการทำงานผิดปกติ ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงบางอย่างจากสภาวะการทำงานปกติ หรือ (ในกรณีที่เกิดขึ้นน้อยกว่า ) เกิดอุบัติเหตุขึ้น

การปล่อยกัมมันตภาพรังสีจากการดำเนินงานปกติ คือ การปล่อยปริมาณเล็กน้อยตามแผนที่วางไว้จากกระบวนการแปรรูปแร่ยูเรเนียม การเสริมสมรรถนะ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โรงงานแปรรูป และสถานที่จัดเก็บกากกัมมันตภาพรังสี ซึ่งอาจอยู่ในรูปแบบทางเคมี/กายภาพที่แตกต่างจากการปล่อยที่อาจเกิดขึ้นภายใต้สภาวะอุบัติเหตุ นอกจากนี้ ลักษณะเฉพาะของไอโซโทปในอุบัติเหตุสมมติอาจแตกต่างอย่างมากจากลักษณะเฉพาะของไอโซโทปในการปล่อยกัมมันตภาพรังสีสู่สิ่งแวดล้อมตามแผนการดำเนินงานปกติ

การปล่อยไอโซโทปรังสีออกมาไม่ได้หมายความว่ามันจะเข้าสู่ร่างกายมนุษย์และก่อให้เกิดอันตรายเสมอไป ตัวอย่างเช่น การเคลื่อนที่ของกัมมันตภาพรังสีสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการจับตัวของไอโซโทปรังสีกับพื้นผิวของอนุภาคดิน ตัวอย่างเช่นซีเซียม (Cs) จับตัวกับแร่ดินเหนียวอย่างแน่นหนา เช่นอิลไลต์และมอนต์มอริลโลไนต์ดังนั้นมันจึงคงอยู่ในชั้นดินด้านบนซึ่งพืชที่มีรากตื้น (เช่น หญ้า) สามารถเข้าถึงได้ ดังนั้นหญ้าและเห็ดจึงสามารถมี 137Cs ในปริมาณมาก^ซึ่งสามารถถ่ายทอดไปยังมนุษย์ผ่านทางห่วงโซ่อาหารได้ แต่^137Csไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านดินส่วนใหญ่ได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นจึงไม่น่าจะปนเปื้อนน้ำบาดาล คอลลอยด์ของแร่ธาตุในดินสามารถเคลื่อนที่ผ่านดินได้ ดังนั้นการจับตัวของโลหะกับพื้นผิวของอนุภาคดินอย่างง่ายๆ จึงไม่ได้ทำให้โลหะยึดติดอยู่กับที่อย่างสมบูรณ์

ตามตำรา ของ Jiří Hála สัมประสิทธิ์การกระจายตัว K _dคืออัตราส่วนของกัมมันตภาพรังสีในดิน (Bq g ⁻¹ ) ต่อกัมมันตภาพรังสีในน้ำในดิน (Bq ml ^{−1 ) หากไอโซโทปรังสีจับตัวกับแร่ธาตุในดินอย่างแน่นหนา พืชผลและ} หญ้าที่เติบโตบนดิน ก็จะดูดซับกัมมันตภาพรังสีได้น้อยลง

• Cs-137 K _d = 1000
• Pu-239 K _d = 10000 ถึง 100000
• Sr-90 K _d = 80 ถึง 150
• I-131 K _d = 0.007 ถึง 50

ในการทำฟาร์มโคนม หนึ่งในมาตรการรับมือที่ดีที่สุดกับ สารกัมมันตรังสี ^137Csคือการไถพรวนดินให้ลึก ซึ่งจะทำให้สาร^137Csพ้นจากรากตื้นๆ ของหญ้า ส่งผลให้ระดับกัมมันตภาพรังสีในหญ้าลดลง นอกจากนี้ หลังสงครามนิวเคลียร์หรืออุบัติเหตุร้ายแรง การขุดดินชั้นบนออกไปไม่กี่เซนติเมตรแล้วฝังไว้ในร่องตื้นๆ จะช่วยลดปริมาณรังสีแกมมาในระยะยาวที่มนุษย์ได้รับจาก สาร ^137Csเนื่องจากโฟตอนแกมมาจะถูกลดทอนลงเมื่อผ่านดิน

แม้หลังจากที่ธาตุกัมมันตรังสีไปถึงรากของพืชแล้ว โลหะก็อาจถูกขับออกโดยกระบวนการทางชีวเคมีของพืช รายละเอียดเกี่ยวกับการดูดซึม^90Srและ^137Csเข้าสู่ดอกทานตะวันที่ปลูกภายใต้ สภาวะ ไฮโดรโปนิกส์ได้รับการรายงานแล้ว^{[ 15 ]}พบซีเซียมในเส้นใบ ในลำต้น และในใบส่วนปลายพบว่าซีเซียม 12% เข้าสู่พืช และสตรอนเทียม 20% เอกสารนี้ยังรายงานรายละเอียดเกี่ยวกับผลกระทบของไอออนโพแทสเซียมแอมโมเนียมและแคลเซียมต่อการดูดซึมของไอโซโทปกัมมันตรังสีด้วย

ใน การเลี้ยง ปศุสัตว์มาตรการสำคัญในการรับมือกับ^137Csคือการให้อาหารสัตว์ด้วยสารสีน้ำเงินปรัสเซียน (Prussian blue ) ในปริมาณเล็กน้อย สารประกอบ เหล็กโพแทสเซียมไซยาไนด์นี้ทำหน้าที่เป็นตัวแลกเปลี่ยนไอออนไซยาไนด์จับกับเหล็กอย่างแน่นหนาจนปลอดภัยสำหรับมนุษย์ที่จะรับประทานสารสีน้ำเงินปรัสเซียนได้หลายกรัมต่อวัน สารสีน้ำเงินปรัสเซียนช่วยลดครึ่งชีวิตทางชีวภาพ (ซึ่งแตกต่างจากครึ่งชีวิตนิวเคลียร์ ) ของซีเซียม ครึ่งชีวิตทางกายภาพหรือนิวเคลียร์ของ^137Csอยู่ที่ประมาณ 30 ปี ซึ่งเป็นค่าคงที่ที่ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ แต่ครึ่งชีวิตทางชีวภาพไม่ใช่ค่าคงที่ มันจะเปลี่ยนแปลงไปตามธรรมชาติและพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิตที่ได้รับสารนั้น ซีเซียมในมนุษย์โดยปกติจะมีครึ่งชีวิตทางชีวภาพระหว่างหนึ่งถึงสี่เดือน ข้อดีเพิ่มเติมของสารสีน้ำเงินปรัสเซียนคือ ซีเซียมที่ถูกขับออกจากสัตว์ในมูลสัตว์อยู่ในรูปแบบที่ไม่สามารถนำไปใช้โดยพืชได้ ดังนั้นจึงป้องกันไม่ให้ซีเซียมถูกนำกลับมาใช้ใหม่ สีน้ำเงินปรัสเซียที่จำเป็นสำหรับการรักษาคนหรือสัตว์เป็นเกรดพิเศษ ความพยายามที่จะใช้ เกรด เม็ดสีที่ใช้ในสีทาบ้านยังไม่ประสบความสำเร็จ^{[หมายเหตุ 4 ]}

IAEA สันนิษฐานว่าภายใต้การทำงานปกติ สารหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยน้ำจะมีกัมมันตภาพรังสีอยู่บ้าง^{[ 16 ]} แต่ในระหว่างอุบัติเหตุของเครื่องปฏิกรณ์ ระดับกัมมันตภาพรังสีของสารหล่อเย็นอาจเพิ่มสูงขึ้น IAEAระบุว่าภายใต้เงื่อนไขต่างๆ กัน ปริมาณกัมมันตภาพรังสีในแกนกลางอาจถูกปล่อยออกมาจากเชื้อเพลิงในปริมาณที่แตกต่างกัน เงื่อนไขสี่ประการที่ IAEA พิจารณา ได้แก่การทำงานปกติการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของกัมมันตภาพรังสีในสารหล่อเย็นเนื่องจากการปิดเครื่อง/การสูญเสียความดันอย่างกะทันหัน (แกนกลางยังคงถูกปกคลุมด้วยน้ำ) ความล้มเหลวของปลอกหุ้มส่งผลให้มีการปล่อยกัมมันตภาพรังสีในช่องว่างระหว่างเชื้อเพลิงกับปลอกหุ้ม (ซึ่งอาจเกิดจากการที่เชื้อเพลิงถูกเปิดออกเนื่องจากการสูญเสียน้ำเป็นเวลา 15–30 นาที ซึ่งปลอกหุ้มจะมีอุณหภูมิถึง 650–1250 °C) หรือการหลอมละลายของแกนกลาง (เชื้อเพลิงจะต้องถูกเปิดออกอย่างน้อย 30 นาที และปลอกหุ้มจะมีอุณหภูมิเกิน 1650 °C) ^{[ 17 ]}

โดยอาศัยสมมติฐานที่ว่าเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงมีน้ำ อยู่ 300 ตัน และกิจกรรมของเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ 1 GWe เป็นไปตามที่ IAEA คาดการณ์ไว้^{[ 18 ]}ดังนั้นกิจกรรมของสารหล่อเย็นหลังเกิดอุบัติเหตุ เช่นอุบัติเหตุที่ทรีไมล์ไอส์แลนด์ (ซึ่งแกนกลางถูกเปิดออกและกู้คืนด้วยน้ำ) สามารถคาดการณ์ได้

โดยปกติแล้วจะต้องปล่อยให้เชื้อเพลิงที่ใช้แล้วทิ้งไว้หลังจากฉายรังสีเพื่อให้ไอโซโทป ไอโอดีนที่มีอายุสั้นและเป็นพิษต่อรังสีสลายตัวไป ในการทดลองหนึ่งในสหรัฐอเมริกา เชื้อเพลิงใหม่ที่ไม่ได้ปล่อยให้สลายตัวจะถูกนำมาแปรรูปใหม่ (การทดลอง Green run ^{[ 19 ] [ 20 ]} ) เพื่อตรวจสอบผลกระทบของการปล่อยไอโอดีนจำนวนมากจากการแปรรูปเชื้อเพลิงที่เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว โดยปกติแล้วในโรงงานแปรรูปจะต้องกำจัดก๊าซที่ระเหยออกจากตัวละลายเพื่อป้องกันการปล่อยไอโอดีน นอกจากการปล่อยไอโอดีนแล้ว ก๊าซเฉื่อยและทริเทียมยังถูกปล่อยออกมาจากเชื้อเพลิงเมื่อละลาย มีการเสนอว่าโดยการออกซิเดชันด้วยความร้อน (การให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงในเตาเผาภายใต้สภาวะออกซิไดซ์) จะสามารถกู้คืนทริเทียมส่วนใหญ่จากเชื้อเพลิงได้^{[ 21 ]}

มีการเขียนเอกสารเกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีในหอยนางรมที่พบในทะเลไอริช [ ^{22 ]}พบว่าโดยการวิเคราะห์ด้วยสเปกโทรสโกปีแกมมา หอยนางรมเหล่านี้มี^{141 Ce} , ¹⁴⁴ Ce, ¹⁰³ Ru, ¹⁰⁶ Ru, ¹³⁷ Cs, ⁹⁵ Zr และ⁹⁵ Nb นอกจากนี้ ยังพบผลิตภัณฑ์การกระตุ้นสังกะสี ( ^{65 Zn) ซึ่งเชื่อว่าเกิดจากการกัดกร่อนของปลอกเชื้อเพลิง} แมกน็อกซ์ในสระเชื้อเพลิงใช้ แล้ว เป็นไปได้ว่าการปล่อยไอโซโทปทั้งหมดเหล่านี้จากเหตุการณ์ วินด์สเกลในปัจจุบันจะมีปริมาณน้อยกว่า

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บางแบบ เช่น เครื่องปฏิกรณ์ RBMKหรือCANDUสามารถเติมเชื้อเพลิงได้โดยไม่ต้องปิดระบบ วิธีการนี้ทำได้โดยการใช้ท่อแรงดันขนาดเล็กจำนวนมากเพื่อบรรจุเชื้อเพลิงและสารหล่อเย็น แทนที่จะใช้ภาชนะแรงดันขนาดใหญ่เพียงใบเดียวเหมือนในเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (PWR) หรือเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR) แต่ละท่อสามารถแยกและเติมเชื้อเพลิงได้ทีละท่อโดยใช้เครื่องเติมเชื้อเพลิงที่ควบคุมโดยผู้ปฏิบัติงาน โดยทั่วไปแล้วจะเติมได้มากถึง 8 ช่องต่อวัน จากทั้งหมดประมาณ 400 ช่องในเครื่องปฏิกรณ์ CANDU การเติมเชื้อเพลิงขณะทำงานช่วยให้สามารถ จัดการกับ ปัญหาการบรรจุเชื้อเพลิงที่เหมาะสมได้อย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ใช้เชื้อเพลิงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นนี้ถูกหักล้างบางส่วนด้วยความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นจากการมีท่อแรงดันหลายร้อยท่อและเครื่องเติมเชื้อเพลิงที่ต้องดูแล

หลังจากสิ้นสุดรอบการทำงาน เครื่องปฏิกรณ์จะถูกปิดเพื่อเติมเชื้อเพลิง เชื้อเพลิงที่ปล่อยออกมาในเวลานั้น (เชื้อเพลิงใช้แล้ว) จะถูกเก็บไว้ที่บริเวณเครื่องปฏิกรณ์ (โดยทั่วไปในบ่อเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้ว ) หรืออาจจะเก็บไว้ในสถานที่ส่วนกลางที่อยู่ห่างจากบริเวณเครื่องปฏิกรณ์ หากความจุในบ่อเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วในบริเวณเครื่องปฏิกรณ์เต็ม อาจมีความจำเป็นที่จะต้องเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วที่เย็นตัวลงแล้วไว้ในโรงเก็บเชื้อเพลิงแห้งแบบโมดูลาร์ที่เรียกว่า Independent Spent Fuel Storage Installations (ISFSI) ที่บริเวณเครื่องปฏิกรณ์หรือที่สถานที่ซึ่งอยู่ห่างจากบริเวณเครื่องปฏิกรณ์ แท่งเชื้อเพลิงใช้แล้วมักจะเก็บไว้ในน้ำหรือกรดบอริก ซึ่งให้ทั้งความเย็น (เชื้อเพลิงใช้แล้วยังคงสร้างความร้อนจากการสลายตัวของกัมมันตรังสีที่เหลืออยู่) และการป้องกันสิ่งแวดล้อมจากรังสีไอออนไนซ์ ที่เหลืออยู่ แม้ว่าหลังจากทำให้เย็นตัวลงอย่างน้อยหนึ่งปีแล้ว อาจจะย้ายไป เก็บใน ถังเก็บแบบแห้งได้

เชื้อเพลิงใช้แล้วที่ปล่อยออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์ประกอบด้วยวัสดุฟิสไซล์ (U-235 และ Pu-239) วัสดุเฟอร์ไทล์ (U-238) และวัสดุกัมมันตรังสี อื่นๆ ในปริมาณมาก รวมถึง สารพิษต่อปฏิกิริยาซึ่งเป็นเหตุผลที่ต้องนำเชื้อเพลิงออก วัสดุฟิสไซล์และเฟอร์ไทล์เหล่านี้สามารถแยกและกู้คืนทางเคมีจากเชื้อเพลิงใช้แล้วได้ ยูเรเนียมและพลูโทเนียมที่กู้คืนได้นั้น หากสภาพเศรษฐกิจและสถาบันเอื้ออำนวย สามารถนำกลับมาใช้ใหม่เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้ ปัจจุบันในสหรัฐอเมริกายังไม่มีการดำเนินการนี้สำหรับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วของพลเรือนแต่มีการดำเนินการในรัสเซีย^{[ 23 ]}และฝรั่งเศสรัสเซียมีเป้าหมายที่จะเพิ่มการรีไซเคิลวัสดุฟิสไซล์จากเชื้อเพลิงใช้แล้วให้มากที่สุด ดังนั้นการแปรรูปเชื้อเพลิงใช้แล้วจึงเป็นแนวปฏิบัติพื้นฐาน โดยยูเรเนียมที่แปรรูปแล้วจะถูกนำไปรีไซเคิลและพลูโทเนียมจะถูกนำไปใช้ใน MOX ซึ่งปัจจุบันใช้เฉพาะกับเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วเท่านั้น^{[ 24 ]}

เชื้อเพลิงออกไซด์ผสม หรือ MOX คือส่วนผสมของยูเรเนียมและพลูโทเนียมที่ผ่านการแปรรูปใหม่ และยูเรเนียมที่ลดปริมาณไอโซโทป ซึ่งมีคุณสมบัติคล้ายคลึงกัน แม้จะไม่เหมือนกันทุกประการ กับยูเรเนียมเสริมสมรรถนะที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ส่วนใหญ่ เชื้อเพลิง MOX เป็นทางเลือกแทนเชื้อเพลิงยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำ (LEU) ที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์

ปัจจุบัน โรงงานในยุโรปกำลังแปรรูปเชื้อเพลิงใช้แล้วจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในยุโรปและญี่ปุ่น การแปรรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ยังไม่ได้รับอนุญาตในสหรัฐอเมริกา ในขณะนี้ เนื่องจากมีความกังวลเกี่ยวกับอันตรายจากการแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์โครงการความร่วมมือด้านพลังงานนิวเคลียร์ระดับโลกของรัฐบาลบุช เสนอให้สหรัฐฯ จัดตั้งความร่วมมือระหว่างประเทศเพื่อแปรรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วในลักษณะที่ทำให้พลูโทเนียมในนั้นสามารถนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้ แต่ไม่สามารถนำไปใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ได้

นอกเหนือจากการกำจัดราฟฟิเนต PUREXในเมทริกซ์แก้วหรือSynroc แล้ว ยังสามารถกำจัดธาตุ ที่มีพิษต่อรังสี มากที่สุด ได้ด้วยการประมวลผลขั้นสูง หลังจากแยกแล้วแอคติไนด์รอง และ ผลิตภัณฑ์ฟิสชันที่มีอายุยืนยาวบางส่วน สามารถเปลี่ยนเป็น ไอโซโทปที่มีอายุสั้นหรือเสถียรได้ด้วย การฉายรังสี นิวตรอนหรือโฟตอนซึ่งเรียกว่าการแปรสภาพความร่วมมือระหว่างประเทศที่แข็งแกร่งและยาวนาน การวิจัยหลายทศวรรษ และการลงทุนมหาศาลยังคงจำเป็นก่อนที่จะบรรลุระดับอุตสาหกรรมที่สมบูรณ์ซึ่งสามารถแสดงให้เห็นถึงความปลอดภัยและความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจของการแบ่งส่วนและการแปรสภาพ (P&T) ได้^{[ 25 ]}

ข้อกังวลในปัจจุบันในด้านพลังงานนิวเคลียร์คือการกำจัดและการแยกเชื้อเพลิงใช้แล้วจากเครื่องปฏิกรณ์ อย่างปลอดภัย หรือหากใช้วิธีการแปรรูป ของเสียจากโรงงานแปรรูป วัสดุเหล่านี้จะต้องถูกแยกออกจากชีวภาคจนกว่ากัมมันตภาพรังสีที่มีอยู่ในนั้นจะลดลงจนถึงระดับที่ปลอดภัย^{[ 31 ]}ในสหรัฐอเมริกา ภายใต้พระราชบัญญัตินโยบายของเสียจากนิวเคลียร์ปี 1982 ที่แก้ไขเพิ่มเติมกระทรวงพลังงานมีหน้าที่รับผิดชอบในการพัฒนาระบบการกำจัดของเสียสำหรับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วและของเสียกัมมันตรังสีระดับสูง แผนปัจจุบันเรียกร้องให้มีการกำจัดของเสียขั้นสุดท้ายในรูปของแข็งในโครงสร้างทางธรณีวิทยาที่ลึกและมั่นคงซึ่งได้รับอนุญาต เรียกว่าคลังเก็บกักทางธรณีวิทยาที่ลึกกระทรวงพลังงานเลือกภูเขา Yuccaเป็นที่ตั้งของคลังเก็บกัก การเปิดใช้งานถูกเลื่อนออกไปหลายครั้ง ตั้งแต่ปี 1999 มีการขนส่งของเสียจากนิวเคลียร์หลายพันครั้งถูกเก็บไว้ที่โรงงานนำร่องการแยกของเสียในนิวเม็กซิโก

เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วสามารถแยกตัวออกจากธาตุแอคติไนด์ได้ทั้งหมด ในขณะที่วงจรเชื้อเพลิงทอเรียมจะผลิต ธาตุทราน ส์ยูเรเนียม ในระดับต่ำ แตกต่างจากเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา ในทางทฤษฎีแล้ว วงจรเชื้อเพลิงเหล่านี้สามารถนำพลูโทเนียมและแอคติไนด์ส่วนน้อย กลับมาใช้ใหม่ได้ และเหลือเพียงผลิตภัณฑ์จากการแยกตัวและผลิตภัณฑ์จากการกระตุ้นเป็นของเสีย ผลิตภัณฑ์จากการแยกตัวที่มีกัมมันตภาพรังสีสูงอายุปานกลาง อย่าง ซีเซียม-137และสตรอนเทียม-90จะลดลง 10 เท่าทุกศตวรรษ ในขณะที่ผลิตภัณฑ์จากการแยกตัวที่มีอายุยืนยาวจะมีกัมมันตภาพรังสีค่อนข้างต่ำ ซึ่งมักจะอยู่ในระดับที่สูงกว่าแร่ยูเรเนียมดั้งเดิม

การกำจัดของเสียโดยการเจาะรูแนวนอนหมายถึงข้อเสนอที่จะเจาะรูในแนวดิ่งมากกว่าหนึ่งกิโลเมตร และในแนวนอนสองกิโลเมตรในเปลือกโลกเพื่อวัตถุประสงค์ในการกำจัดของเสียระดับสูง เช่นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วซีเซียม-137หรือสตรอนเทียม-90หลังจากระยะเวลาการวางและการนำกลับแล้ว รูเจาะจะถูกถมและปิดผนึก มีการทดสอบเทคโนโลยีนี้หลายครั้งในเดือนพฤศจิกายน 2018 และอีกครั้งในที่สาธารณะในเดือนมกราคม 2019 โดยบริษัทเอกชนในสหรัฐอเมริกา^{[ 32 ]}การทดสอบแสดงให้เห็นถึงการวางกระป๋องทดสอบในรูเจาะแนวนอนและการนำกระป๋องเดียวกันนั้นกลับ ไม่มีการใช้ของเสียระดับสูงจริงในการทดสอบนี้^{[ 33 ] [ 34 ]}

แม้ว่าคำศัพท์ที่ใช้กันทั่วไปคือวงจรเชื้อเพลิง แต่บางคนก็โต้แย้งว่าคำว่าห่วงโซ่เชื้อเพลิงมีความแม่นยำกว่า เพราะเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วไม่เคยถูกนำกลับมาใช้ใหม่อย่างสมบูรณ์ เชื้อเพลิงที่ใช้แล้วประกอบด้วยผลิตภัณฑ์ฟิสชันซึ่งโดยทั่วไปต้องได้รับการจัดการเป็นของเสียเช่นเดียวกับยูเรเนียม พลูโตเนียม และธาตุทรานส์ยูเรเนียมอื่นๆ ในกรณีที่พลูโตเนียมถูกนำกลับมาใช้ใหม่ โดยปกติจะนำกลับมาใช้ใหม่ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์เร็วอาจนำไปสู่การนำพลูโตเนียมกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างสมบูรณ์มากขึ้น^{[ 35 ]}

ไม่ใช่วัฏจักรโดยแท้จริงเชื้อเพลิงถูกใช้เพียงครั้งเดียวแล้วส่งไปเก็บโดยไม่ต้องผ่านกระบวนการเพิ่มเติม นอกจากการบรรจุหีบห่อเพิ่มเติมเพื่อป้องกันการปนเปื้อนจากชีวภาควิธีนี้เป็นที่นิยมในหกประเทศ ได้แก่สหรัฐอเมริกาแคนาดาสวีเดนฟินแลนด์สเปนและแอฟริกาใต้[ ^{36 ] บาง} ประเทศ โดยเฉพาะ ฟินแลนด์สวีเดน และ แคนาดาได้ออกแบบคลังเก็บกากกัมมันตรังสีเพื่อให้สามารถนำวัสดุกลับมาใช้ใหม่ได้ในอนาคตหากจำเป็น ในขณะที่ประเทศอื่นๆ วางแผนที่จะกักเก็บอย่างถาวรในคลังเก็บ กากกัมมันตรังสี ทางธรณีวิทยาเช่นคลังเก็บกากกัมมันตรังสีนิวเคลียร์ Yucca Mountainในสหรัฐอเมริกา

หลายประเทศ รวมทั้งญี่ปุ่น สวิตเซอร์แลนด์ และก่อนหน้านี้สเปนและเยอรมนี กำลังใช้หรือเคยใช้ บริการ การแปรรูป เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ที่เสนอโดยAreva NCและก่อนหน้านี้THORP ผลิตภัณฑ์จาก การแตก ตัว ของนิวเคลียส แอ คติไนด์รอง ผลิตภัณฑ์จากการกระตุ้นและยูเรเนียมที่ผ่านการแปรรูป แล้ว จะ ถูก แยกออกจาก พลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์ซึ่งสามารถนำไปผลิตเป็นเชื้อเพลิง MOXได้ เนื่องจากสัดส่วนของ ไอโซโทป มวลคู่ที่ ไม่สามารถ แตกตัวได้ของพลูโทเนียมจะเพิ่มขึ้นในแต่ละรอบของวัฏจักร ปัจจุบันจึงไม่มีแผนที่จะนำพลูโทเนียมจากเชื้อเพลิง MOX ที่ใช้แล้วกลับมาใช้ซ้ำในรอบที่สามในเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนหากเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วพร้อมใช้งาน พวกมันอาจสามารถเผาไหม้ไอโซโทปแอคติไนด์เหล่านี้ หรือไอโซโทปแอคติไนด์ อื่นๆ เกือบทั้งหมด ได้

มีการอ้างว่า การใช้ โรงงาน แปรรูป ขนาดกลาง ในสถานที่ และการใช้กระบวนการไพโรโพรเซสซิ่งแทนการแปรรูปด้วยน้ำแบบในปัจจุบัน อาจช่วยลด ศักยภาพใน การแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์หรือการเบี่ยงเบนวัสดุฟิสไซล์ได้อย่างมาก เนื่องจากโรงงานแปรรูปอยู่ในสถานที่เดียวกัน ในทำนองเดียวกัน เนื่องจากพลูโทเนียมไม่ได้ถูกแยกออกมาโดยเฉพาะในวงจรไพโรโพรเซสซิ่ง แต่แอคติไนด์ทั้งหมดจะถูก "แยกด้วยไฟฟ้า " หรือ "กลั่น" จากเชื้อเพลิงใช้แล้ว ดังนั้นพลูโทเนียมจึงไม่เคยถูกแยกออกมาโดยเฉพาะ แต่จะปะปนเข้ามาในเชื้อเพลิงใหม่พร้อมกับแอคติไนด์ที่ปล่อยรังสีแกมมาและอัลฟา ซึ่งเป็นสารที่ "ปกป้องตัวเอง" จากสถานการณ์การโจรกรรมต่างๆ ที่อาจเกิดขึ้นได้

ตั้งแต่ปี 2016 รัสเซียได้ทำการทดสอบและกำลังใช้งานเชื้อเพลิงรีมิกซ์ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วที่ผ่านกระบวนการคล้ายกับกระบวนการไพโรโพรเซสซิ่ง เพื่อแยกพลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์และยูเรเนียมที่เหลือออกจากผลิตภัณฑ์ฟิสชันและปลอกเชื้อเพลิง จากนั้นโลหะผสมนี้จะถูกรวมเข้ากับยูเรเนียมเสริมสมรรถนะปานกลางในปริมาณเล็กน้อยที่มีความเข้มข้นของ U-235 ประมาณ 17% เพื่อสร้างเชื้อเพลิงออกไซด์โลหะผสมใหม่ที่มีพลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์ 1% และความเข้มข้นของ U-235 4% แท่งเชื้อเพลิงเหล่านี้เหมาะสำหรับใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ PWR มาตรฐาน เนื่องจากปริมาณพลูโทเนียมไม่สูงกว่าที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วเมื่อสิ้นสุดวงจร ณ เดือนกุมภาพันธ์ 2020 รัสเซียได้ใช้งานเชื้อเพลิงนี้ในเครื่องปฏิกรณ์VVER บางส่วน ^{[ 38 ] [ 39 ]}

มีการเสนอว่านอกเหนือจากการใช้พลูโตเนียมแล้วแอคติไนด์รองยังสามารถใช้ในเครื่องปฏิกรณ์พลังงานวิกฤตได้อีกด้วย มีการทดสอบที่กำลังดำเนินการอยู่แล้วโดยใช้อะเมริเซียม เป็นเชื้อเพลิง ^{[ 40 ]}

มีการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์หลายแบบ เช่นเครื่องปฏิกรณ์เร็วแบบบูรณาการ (Integral Fast Reactor ) สำหรับวงจรเชื้อเพลิงที่ค่อนข้างแตกต่างนี้ โดยหลักการแล้ว ควรเป็นไปได้ที่จะได้พลังงานจากการแตกตัวของนิวเคลียสของธาตุแอคติไนด์ใดๆ ก็ได้ ด้วยการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์อย่างระมัดระวัง ธาตุแอคติไนด์ทั้งหมดในเชื้อเพลิงสามารถถูกใช้หมดไปได้ เหลือเพียงธาตุที่เบากว่าซึ่งมี ครึ่งชีวิต สั้น แม้ว่าสิ่งนี้จะทำได้ในโรงงานต้นแบบ แต่ก็ยังไม่มีเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวที่เคยใช้งานในระดับใหญ่

ปรากฏว่าค่าภาคตัดขวางของนิวตรอนของธาตุแอคติไนด์หลายชนิดลดลงเมื่อพลังงานนิวตรอนเพิ่มขึ้น แต่สัดส่วนของการแตกตัวเป็นนิวเคลียสต่อการกระตุ้นแบบง่าย ( การจับนิวตรอน ) จะเปลี่ยนไปในทิศทางที่การแตกตัวเป็นนิวเคลียสเกิดขึ้นได้มากขึ้นเมื่อพลังงานนิวตรอนเพิ่มขึ้น ดังนั้น ด้วยพลังงานนิวตรอนที่สูงเพียงพอ น่าจะสามารถทำลายแม้กระทั่งคูเรียมได้โดยไม่ต้องสร้างโลหะทรานส์คูเรียมขึ้นมา ซึ่งอาจเป็นสิ่งที่พึงปรารถนาอย่างยิ่ง เพราะจะทำให้การแปรรูปและการจัดการเชื้อเพลิงแอคติไนด์ง่ายขึ้นอย่างมาก

ทางเลือกที่น่าสนใจอย่างหนึ่งจากมุมมองนี้คือเครื่องปฏิกรณ์แบบซับคริติคอลที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องเร่ง อนุภาค / เครื่องปฏิกรณ์แบบซับคริติคอลโดยลำแสงของโปรตอน (แบบสหรัฐอเมริกาและยุโรป) ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}หรืออิเล็กตรอน (แบบญี่ปุ่น) ^{[ 44 ]}จะถูกส่งไปยังเป้าหมาย ในกรณีของโปรตอน นิวตรอนที่เร็วมากจะหลุดออกจากเป้าหมาย ในขณะที่ในกรณีของอิเล็กตรอนโฟตอน พลังงานสูงมาก จะถูกสร้างขึ้น นิวตรอนและโฟตอนพลังงานสูงเหล่านี้จะสามารถทำให้เกิดการแตกตัวของแอคติไนด์หนักได้

เครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับแหล่งกำเนิดนิวตรอนอื่นๆ ในแง่ของพลังงานนิวตรอน:

• ความร้อน 0 ถึง 100 eV
• เอพิเทอร์มอล 100 eV ถึง 100 keV
• เร็ว (จากการแตกตัวของนิวเคลียส ) 100 keV ถึง 3 MeV
• DD ฟิวชั่น 2.5 MeV
• ปฏิกิริยาฟิวชั่น DT 14 MeV
• แกนกลางที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเร่งอนุภาค 200 MeV (ขับเคลื่อนด้วยโปรตอน 1.6 GeV )

อีกทางเลือกหนึ่งคือ สามารถปล่อยให้คูเรียม-244 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 18 ปี สลายตัวเป็นพลูโทเนียม-240 ก่อนนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วได้

จนถึงปัจจุบัน ยังไม่ได้มีการเลือกชนิดของเชื้อเพลิง (เป้าหมาย) สำหรับการเปลี่ยนแปลงของธาตุแอคติไนด์

หากมีการเปลี่ยนสภาพของแอคติไนด์ในเครื่องปฏิกรณ์แบบกึ่งวิกฤตเชื้อเพลิงนั้นอาจต้องทนต่อวัฏจักรความร้อนได้มากกว่าเชื้อเพลิงแบบดั้งเดิม เนื่องจากเครื่องเร่งอนุภาค ในปัจจุบัน ยังไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการทำงานต่อเนื่องเป็นเวลานาน อย่างน้อยเครื่องปฏิกรณ์แบบกึ่งวิกฤตรุ่นแรกที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องเร่งอนุภาคจึงไม่น่าจะสามารถรักษาระยะเวลาการทำงานคงที่ได้นานเท่ากับเครื่องปฏิกรณ์แบบวิกฤต และทุกครั้งที่เครื่องเร่งอนุภาคหยุดทำงาน เชื้อเพลิงก็จะเย็นลง

ในทางกลับกัน หากแอคติไนด์ถูกทำลายโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์เร็ว เช่นเครื่องปฏิกรณ์เร็วแบบบูรณาการ (Integral Fast Reactor ) เชื้อเพลิงนั้นก็มีแนวโน้มที่จะไม่สัมผัสกับวัฏจักรความร้อนมากไปกว่าในโรงไฟฟ้าทั่วไป

ขึ้นอยู่กับเมทริกซ์ กระบวนการนี้สามารถสร้างธาตุทรานส์ยูเรเนียมจากเมทริกซ์ได้มากขึ้น ซึ่งอาจมองได้ว่าเป็นเรื่องดี (สร้างเชื้อเพลิงได้มากขึ้น) หรืออาจเป็นเรื่องไม่ดี (สร้างธาตุทรานส์ ยูเรเนียมที่เป็นพิษต่อ รังสี มากขึ้น ) มีเมทริกซ์หลายชนิดที่สามารถควบคุมการผลิตแอคติไนด์หนักเหล่านี้ได้

นิวเคลียสที่แตกตัวได้ (เช่น^233U , ^235Uและ^239Pu ) ตอบสนองได้ดีต่ออนุภาคนิวตรอนหน่วงเวลาดังนั้นจึงมีความสำคัญต่อการรักษาเสถียรภาพของเครื่องปฏิกรณ์วิกฤต ซึ่งจะจำกัดปริมาณของธาตุแอคติไนด์รองที่สามารถถูกทำลายได้ในเครื่องปฏิกรณ์วิกฤต ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นสิ่งสำคัญที่เมทริกซ์ที่เลือกใช้จะช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์รักษาสัดส่วนของนิวเคลียสที่แตกตัวได้ต่อนิวเคลียสที่ไม่แตกตัวได้ให้สูง เนื่องจากจะช่วยให้สามารถทำลายธาตุแอคติไนด์ที่มีอายุยืนยาวได้อย่างปลอดภัย ในทางตรงกันข้าม กำลังไฟฟ้าที่ได้จากเครื่องปฏิกรณ์ต่ำกว่าวิกฤตนั้นถูกจำกัดด้วยความเข้มของเครื่องเร่งอนุภาค ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมียูเรเนียมหรือพลูโทเนียมเลย ในระบบดังกล่าว อาจเป็นการดีกว่าที่จะมีเมทริกซ์เฉื่อยที่ไม่ก่อให้เกิดไอโซโทปที่มีอายุยืนยาวเพิ่มเติม การมีสัดส่วนของนิวตรอนหน่วงต่ำไม่เพียงแต่ไม่เป็นปัญหาในเครื่องปฏิกรณ์แบบต่ำกว่าวิกฤตเท่านั้น แต่ยังอาจเป็นข้อได้เปรียบเล็กน้อยด้วยซ้ำ เนื่องจากสามารถทำให้ภาวะวิกฤตเข้าใกล้หนึ่งได้มากขึ้น ในขณะที่ยังคงอยู่ในสภาวะต่ำกว่าวิกฤต

ธาตุแอคติไนด์จะถูกผสมกับโลหะที่ไม่ก่อให้เกิดธาตุแอคติไนด์เพิ่มเติม ตัวอย่างเช่นอาจใช้ โลหะผสมของธาตุแอคติไนด์ในของแข็ง เช่นเซอร์โคเนีย

จุดประสงค์หลักของโครงการริเริ่มเชื้อเพลิงเมทริกซ์เฉื่อย (Initiative for Inert Matrix Fuel: IMF) คือการสนับสนุนการวิจัยและพัฒนาเชื้อเพลิงเมทริกซ์เฉื่อยที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ ลดปริมาณ และกำจัดพลูโทเนียมส่วนเกินทั้งในระดับอาวุธและระดับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา นอกจากพลูโทเนียมแล้ว ปริมาณของแอคติไนด์รองก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องกำจัดแอคติไนด์เหล่านี้อย่างปลอดภัย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และประหยัด โครงการริเริ่มนี้เน้นย้ำถึงกลยุทธ์ที่น่าสนใจมาตั้งแต่เริ่มต้น นั่นคือการใช้พลูโทเนียมและแอคติไนด์รองโดยใช้เชื้อเพลิงแบบใช้ครั้งเดียวในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ที่มีอยู่ เช่น เครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา (LWR) ของสหรัฐฯ ยุโรป รัสเซีย หรือญี่ปุ่น เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักความดันสูงของแคนาดา หรือในหน่วยการแปลงสภาพในอนาคต ปัจจุบันแนวทางนี้ซึ่งใช้เชื้อเพลิงเมทริกซ์เฉื่อยกำลังได้รับการศึกษาโดยหลายกลุ่มทั่วโลก^{[ 45 ] [ 46 ]}ตัวเลือกนี้มีข้อดีคือช่วยลดปริมาณพลูโทเนียมและอาจลดปริมาณแอคติไนด์รองก่อนการกำจัดทางธรณีวิทยา ตัวเลือกที่สองขึ้นอยู่กับการใช้เชื้อเพลิงที่ปราศจากยูเรเนียมที่สามารถชะล้างได้เพื่อการแปรรูปใหม่ และโดยการปฏิบัติตามกลยุทธ์การรีไซเคิลหลายขั้นตอน ในทั้งสองกรณี วัสดุเชื้อเพลิงขั้นสูงจะผลิตพลังงานในขณะที่บริโภคพลูโทเนียมหรือแอคติไนด์รอง อย่างไรก็ตาม วัสดุนี้ต้องมีความแข็งแรง วัสดุที่เลือกต้องเป็นผลมาจากการศึกษาระบบอย่างรอบคอบ ซึ่งรวมถึงเมทริกซ์เฉื่อย – สารดูดซับที่เผาไหม้ได้ – วัสดุฟิสไซล์เป็นส่วนประกอบขั้นต่ำ และมีการเพิ่มสารทำให้เสถียรเข้าไปด้วย ซึ่งจะให้สารละลายของแข็งเฟสเดียว หรือพูดให้ง่ายกว่านั้น หากไม่ได้เลือกตัวเลือกนี้ จะเป็นเมทริกซ์เฉื่อยคอมโพสิต – ส่วนประกอบฟิสไซล์ ในการศึกษาคัดกรอง^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}ได้มีการระบุองค์ประกอบที่เลือกไว้ล่วงหน้าว่าเหมาะสม ในช่วงทศวรรษที่ 90 ได้มีการนำกลยุทธ์ IMF แบบผ่านครั้งเดียวมาใช้ โดยพิจารณาจากคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• คุณสมบัติของนิวตรอน เช่น พื้นที่หน้าตัดการดูดซับต่ำ ปฏิกิริยาคงที่ที่เหมาะสม ค่าสัมประสิทธิ์ดอปเปลอร์ที่เหมาะสม^{[ 50 ]}
• ความเสถียรของเฟส ความเฉื่อยทางเคมี และความเข้ากันได้^{[ 51 ]}
• คุณสมบัติทางเทอร์โมฟิสิกส์ที่ยอมรับได้ เช่น ความจุความร้อน การนำความร้อน^{[ 52 ]}
• พฤติกรรมที่ดีภายใต้การฉายรังสี เช่น เสถียรภาพของเฟส การบวมน้อยที่สุด^{[ 53 ]}
• การกักเก็บผลิตภัณฑ์ฟิสชันหรือแอคติไนด์ที่เหลืออยู่^{[ 54 ]}และ
• คุณสมบัติที่เหมาะสมที่สุดหลังจากการฉายรังสีโดยไม่ละลายน้ำในครั้งเดียวแล้วจึงออกไป^{[ 55 ]}

กลยุทธ์แบบผ่านครั้งเดียวแล้วออกนี้อาจปรับใช้เป็นรอบสุดท้ายหลังจากการรีไซเคิลหลายครั้ง หากผลผลิตการแตกตัวไม่มากพอ ในกรณีดังกล่าว คุณสมบัติต่อไปนี้เป็นสิ่งจำเป็น คือ คุณสมบัติการชะล้างที่ดีสำหรับการแปรรูปและการรีไซเคิลหลายครั้ง^{[ 56 ]}

เมื่อถูกนิวตรอนยิงใส่ ธอร์เรียมสามารถเปลี่ยนเป็นยูเรเนียม-233ได้ ยูเรเนียม ^-233สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิสชันได้ และมีภาคตัดขวางของปฏิกิริยาฟิสชันที่ใหญ่กว่าทั้ง ยูเรเนียม ^-235และ ยูเรเนียม ^-238ดังนั้นจึงมีโอกาสน้อยมากที่จะผลิตธาตุแอคติไนด์ที่สูงกว่าผ่านการจับนิวตรอน

หากมีการผสมธาตุแอคติไนด์ลงในเมทริกซ์ของยูเรเนียม-โลหะหรือยูเรเนียม-ออกไซด์ การจับนิวตรอนของ^238Uมีแนวโน้มที่จะสร้างพลูโทเนียม-239 ขึ้นใหม่ ข้อดีของการผสมธาตุแอคติไนด์กับยูเรเนียมและพลูโทเนียมคือ ค่าภาคตัดขวางการแตกตัวของนิวเคลียสขนาดใหญ่ของ^235Uและ^239Puสำหรับนิวตรอนหน่วงที่มีพลังงานต่ำกว่า อาจทำให้ปฏิกิริยามีเสถียรภาพเพียงพอที่จะดำเนินการในเครื่องปฏิกรณ์เร็ว วิกฤต ซึ่งน่าจะถูกกว่าและง่ายกว่าระบบที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องเร่งอนุภาค

นอกจากนี้ยังสามารถสร้างเมทริกซ์ที่ทำจากส่วนผสมของวัสดุที่กล่าวมาข้างต้นได้อีกด้วย วิธีนี้มักใช้ในเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็ว ซึ่งอาจต้องการรักษาสัดส่วนการผลิตเชื้อเพลิงใหม่ให้สูงพอที่จะให้พลังงานแก่เครื่องปฏิกรณ์ได้อย่างต่อเนื่อง แต่ก็ต้องต่ำพอที่จะทำลายแอคติไนด์ที่เกิดขึ้นได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ต้องขนส่งไปยังที่อื่น วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการใช้เชื้อเพลิงที่ผสมแอคติไนด์และยูเรเนียมกับเซอร์โคเนียมเฉื่อย ทำให้ได้ธาตุเชื้อเพลิงที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ

เพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับแนวคิดพลังงานหมุนเวียนนิวเคลียร์ จำเป็นต้องสำรวจการผสมผสานของกระบวนการต่างๆ ตั้งแต่ต้นทางของวงจรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ไปจนถึงการผลิตเชื้อเพลิงและการแปลงพลังงานโดยใช้เชื้อเพลิงเหลวและเครื่องปฏิกรณ์เฉพาะ ดังที่รายงานโดย Degueldre et al. (2019 ^{[ 57 ]} ) การสกัดยูเรเนียมจากแร่เหลวเจือจาง เช่น น้ำทะเล ได้รับการศึกษาในหลายประเทศทั่วโลก การสกัดนี้ควรดำเนินการอย่างประหยัด ดังที่ Degueldre (2017) แนะนำ^{[ 58 ]}อัตราการสกัดยูเรเนียมหลายกิโลตันต่อปีเป็นเวลาหลายศตวรรษจะไม่เปลี่ยนแปลงความเข้มข้นสมดุลของยูเรเนียมในมหาสมุทรอย่างมีนัยสำคัญ (3.3 ppb) สมดุลนี้เกิดจากการป้อนยูเรเนียม 10 กิโลตันต่อปีจากน้ำในแม่น้ำและการดักจับบนพื้นทะเลจากน้ำ 1.37 เอ็กซาตันในมหาสมุทร สำหรับการสกัดยูเรเนียมแบบหมุนเวียนนั้น แนะนำให้ใช้ชีวมวลชนิดพิเศษเพื่อดูดซับยูเรเนียมและโลหะทรานซิชันอื่นๆ ในภายหลัง โดยปริมาณยูเรเนียมที่ดูดซับบนชีวมวลจะอยู่ที่ประมาณ 100 มิลลิกรัมต่อกิโลกรัม หลังจากระยะเวลาการสัมผัสแล้ว วัสดุที่ดูดซับยูเรเนียมจะถูกทำให้แห้งและเผาไหม้ (เป็นกลางทาง_{คาร์บอนไดออกไซด์} ) โดยความร้อนจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้า การ "เผาไหม้" ยูเรเนียมในเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วที่ใช้เกลือหลอมเหลวช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานโดยการเผาไหม้ไอโซโทปแอคติไนด์ทั้งหมดด้วยผลผลิตที่ยอดเยี่ยมเพื่อผลิตพลังงานความร้อนจากการแตกตัวของนิวเคลียสในปริมาณสูงสุดและแปลงเป็นไฟฟ้า การเพิ่มประสิทธิภาพนี้สามารถทำได้โดยการลดตัวหน่วงและปริมาณความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวของนิวเคลียสในเชื้อเพลิงเหลว/สารหล่อเย็น ผลกระทบเหล่านี้สามารถทำได้โดยการใช้แอคติไนด์ในปริมาณสูงสุดและธาตุอัลคาไลน์/อัลคาไลน์เอิร์ธในปริมาณน้อยที่สุดเพื่อให้ได้สเปกตรัมของนิวตรอนที่แข็งขึ้น ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสมเหล่านี้ การบริโภคยูเรเนียมธรรมชาติจะอยู่ที่ 7 ตันต่อปีต่อกิกะวัตต์ (GW) ของไฟฟ้าที่ผลิตได้ การผสมผสานการสกัดยูเรเนียมจากทะเลและการใช้ประโยชน์อย่างเหมาะสมในเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วชนิดเกลือหลอมเหลว จะช่วยให้พลังงานนิวเคลียร์ได้รับการรับรองว่าเป็นพลังงานหมุนเวียน นอกจากนี้ ปริมาณน้ำทะเลที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใช้ในการหล่อเย็นของเหลวหล่อเย็นตัวสุดท้ายและกังหัน จะอยู่ที่ประมาณ 2.1 กิกะตันต่อปี สำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วชนิดเกลือหลอมเหลว ซึ่งเทียบเท่ากับยูเรเนียมธรรมชาติที่สกัดได้ 7 ตันต่อปี การปฏิบัติเช่นนี้จึงเป็นการสนับสนุนให้ได้รับการรับรองว่าเป็นพลังงานหมุนเวียน

ในวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม ทอเรียม-232จะดูดซับนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วหรือแบบความร้อน ทอเรียม-233 จะสลายตัวแบบเบตาเป็นโปรแทคติเนียม -233 แล้วจึงกลายเป็นยูเรเนียม-233ซึ่งจะถูกนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงต่อไป ดังนั้น เช่นเดียวกับยูเรเนียม-238ทอเรียม-232 จึงเป็นวัสดุที่สามารถนำไปผลิตเชื้อเพลิงได้

${\displaystyle {\ce {{\overset {นิวตรอน}{n}}+ ^{232__{90}Th -> ^{233__{90}Th ->[\beta^-] ^{233}_{91}Pa ->[\beta^-] {\overset {fuel}{^{233}_{92}U}}}}}$

หลังจากเริ่มเดินเครื่องปฏิกรณ์ด้วย U-233 ที่มีอยู่แล้ว หรือ วัสดุฟิสไซล์อื่นๆเช่นU-235หรือPu-239 จะสามารถสร้าง วัฏจักรการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่คล้ายคลึงกัน แต่มีประสิทธิภาพมากกว่า^{[หมายเหตุ 5 ]}เมื่อเทียบกับการใช้ U-238 และพลูโทเนียม Th-232 ดูดซับนิวตรอนเพื่อกลายเป็น Th-233 ซึ่งสลายตัวอย่างรวดเร็วเป็นโปรแทคติเนียม -233 โปรแทคติเนียม-233 จะสลายตัวต่อไปด้วยครึ่งชีวิต 27 วันเป็น U-233 ใน การออกแบบ เครื่องปฏิกรณ์แบบเกลือหลอมเหลว บางแบบ โปรแทคติเนียม-233 จะถูกแยกออกมาและป้องกันจากนิวตรอน (ซึ่งอาจเปลี่ยนมันเป็นโปรแทคติเนียม-234 แล้วเป็นU-234 ) จนกว่าจะสลายตัวเป็น U-233 การทำเช่นนี้เพื่อปรับปรุงอัตราส่วนการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ซึ่งต่ำเมื่อเทียบกับ เครื่องปฏิกรณ์ แบบ เร็ว

ธอร์เรียมมีปริมาณในธรรมชาติมากกว่าไอโซโทปของยูเรเนียมทั้งหมดรวมกันอย่างน้อย 4-5 เท่า ธอร์เรียมกระจายตัวค่อนข้างสม่ำเสมอทั่วโลก โดยมีหลายประเทศ^{[หมายเหตุ 6 ]}ที่มีธอร์เรียมในปริมาณมาก การเตรียมเชื้อเพลิงธอร์เรียมไม่จำเป็นต้องใช้กระบวนการเสริมสมรรถนะที่ยุ่งยาก^{[หมายเหตุ 5 ]}และมีราคาแพง วงจรเชื้อเพลิงธอร์เรียมสร้างยูเรเนียม-233 ที่ปนเปื้อนด้วยยูเรเนียม-232 เป็นหลัก ซึ่งทำให้ยากต่อการใช้งานในอาวุธนิวเคลียร์แบบประกอบสำเร็จรูปทั่วไปซึ่งมีความเสถียรในระยะยาว (น่าเสียดายที่ข้อเสียจะน้อยลงมากสำหรับอาวุธที่ใช้ได้ทันทีหรือในกรณีที่การประกอบขั้นสุดท้ายเกิดขึ้นก่อนเวลาใช้งาน) การกำจัด กาก กัมมันตรังสีส่วนที่เป็นทรานส์ยูเรเนียมอย่างน้อยที่สุดนั้นเป็นไปได้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ MSRและการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบเพาะพันธุ์อื่นๆ

หนึ่งในความพยายามแรกๆ ในการใช้เชื้อเพลิงทอเรียมเกิดขึ้นที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ในช่วงทศวรรษ 1960 มีการสร้างเครื่องปฏิกรณ์ทดลองโดยใช้ เทคโนโลยี เครื่องปฏิกรณ์แบบเกลือหลอมเหลวเพื่อศึกษาความเป็นไปได้ของแนวทางดังกล่าว โดยใช้เกลือทอเรียมฟลูออไรด์ ที่รักษาอุณหภูมิให้สูงพอที่จะเป็นของเหลว ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการผลิตชิ้นส่วนเชื้อเพลิง ความพยายามนี้ได้นำไปสู่การทดลองเครื่องปฏิกรณ์แบบเกลือหลอมเหลว (Molten-Salt Reactor Experiment)ซึ่งใช้^232Thเป็นวัสดุที่ให้กำเนิดเชื้อเพลิงได้ และ^233Uเป็นเชื้อเพลิงฟิสไซล์ เนื่องจากขาดงบประมาณ โครงการ MSR จึงถูกยุติลงในปี 1976

ธอร์เรียมถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ครั้งแรกใน เครื่องปฏิกรณ์ Indian Point Unit 1ซึ่งเริ่มดำเนินการในปี พ.ศ. 2505 ต้นทุนในการกู้คืน U-233 จากเชื้อเพลิงใช้แล้วถือว่าไม่คุ้มค่า เนื่องจากธอร์เรียมเพียงไม่ถึง 1% เท่านั้นที่ถูกแปลงเป็น U-233 เจ้าของโรงงานจึงเปลี่ยนไปใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียม ซึ่งใช้จนกระทั่งเครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดตัวลงอย่างถาวรในปี พ.ศ. 2517 ^{[ 59 ]}

ปัจจุบันไอโซโทปที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มีเพียงยูเรเนียม-235 (U-235), ยูเรเนียม-238 (U-238) และพลูโทเนียม-239 เท่านั้น แม้ว่าวงจรเชื้อเพลิงทอเรียมที่เสนอจะมีข้อดีก็ตาม เครื่องปฏิกรณ์สมัยใหม่บางเครื่องสามารถใช้ทอเรียม ได้ด้วยการดัดแปลงเล็กน้อย ทอเรียมมีปริมาณมากกว่ายูเรเนียมในเปลือกโลก ประมาณ 3 เท่า (และมีปริมาณมากกว่ายูเรเนียม-235 ถึง 550 เท่า) มีการสำรวจทรัพยากรทอเรียมน้อยมาก ดังนั้นปริมาณสำรองที่พิสูจน์แล้ว จึง ค่อนข้างน้อยทอเรียมมีปริมาณมากกว่ายูเรเนียมในบางประเทศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอินเดีย^{[ 60 ]}แร่โมนาไซต์ ซึ่งเป็นแร่ที่มีทอเรียมเป็นองค์ประกอบหลัก ปัจจุบันเป็นที่สนใจส่วนใหญ่เนื่องจากมีธาตุหายากและทอเรียมส่วนใหญ่ถูกทิ้งลงบนกองเศษวัสดุคล้ายกับกากแร่ยูเรเนียม เนื่องจากการทำเหมืองแร่ธาตุหายากส่วนใหญ่เกิดขึ้นในประเทศจีน และเนื่องจากสาธารณชนไม่ได้เชื่อมโยงการทำเหมืองแร่ดังกล่าวกับวงจรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ดังนั้นกากแร่ที่มีธาตุทอเรียมเป็นส่วนประกอบ แม้จะมีกัมมันตภาพรังสี ก็ไม่ได้รับการพิจารณาว่าเป็น ปัญหา ของเสียจากนิวเคลียร์และหน่วยงานกำกับดูแลก็ไม่ได้ดำเนินการเช่นนั้น

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำหนักเบาเกือบทั้งหมดที่เคยใช้งานและเครื่องปฏิกรณ์แบบกราไฟต์บางชนิด สามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงได้แต่เครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ในโลกต้องการยูเรเนียมเสริมสมรรถนะซึ่งมีอัตราส่วนของ U-235 ต่อ U-238 เพิ่มขึ้น ในเครื่องปฏิกรณ์พลเรือน อัตราส่วนการเสริมสมรรถนะจะเพิ่มขึ้นเป็น 3-5% U-235 และ 95% U-238 แต่ในเครื่องปฏิกรณ์ของกองทัพเรือจะมี U-235 สูงถึง 93% ปริมาณสารฟิสไซล์ในเชื้อเพลิงใช้แล้วจากเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบา ส่วนใหญ่ มีปริมาณสูงพอที่จะนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ที่สามารถใช้เชื้อเพลิงจากยูเรเนียมธรรมชาติได้ อย่างไรก็ตาม การทำเช่นนั้นจะต้องผ่านกระบวนการแปรรูปทางกลและ/หรือทางความร้อนอย่างน้อย (การขึ้นรูปเชื้อเพลิงใช้แล้วให้เป็นชุดเชื้อเพลิงใหม่) ซึ่งปัจจุบันจึงยังไม่เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย

โดยปกติแล้ว คำว่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะไม่ถูกนำมาใช้ในบริบทของพลังงานฟิวชั่นซึ่งเป็นการหลอมรวมไอโซโทปของไฮโดรเจน ให้กลาย เป็นฮีเลียมเพื่อปลดปล่อย พลังงาน

• บ่อเจาะลึก
• คลังเก็บกักทางธรณีวิทยาลึก
• หลุมเจาะแนวนอน
• วงจรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในฝรั่งเศส

• สถาบันการขนส่งนิวเคลียร์โลก